脉冲的产生和整形电路.ppt

6 脉冲的产生和整形电路 内容摘要 本章主要讨论脉冲产生和整形的基本电路。 在脉冲整形部分，介绍了两类整形电路施密特触发 器和单稳态触发器。 在脉冲产生部分，介绍了门电路构成的多谐震荡器和石 英晶体震荡器。 6.1 概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用 DateDate 6.1概述 在数字电路中，时钟脉冲信号可以利用多谐震荡器产生或通 过整形电路变换得到。整形电路分为两类，施密特触发器和 单稳态触发器。 矩形脉冲的性能指标。 Um tr tf 0.9Um 0.5Um 0.1Um tw T DateDate 脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉 冲间的时间间隔。 有时也用频率f = 1/T表示， f代表单位时间内脉冲重复 的次数。 脉冲幅度Um脉冲电压最大变化的幅值。 脉冲宽度Tw从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um 止的一段时间。 上升时间tr 脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。 下降时间tf 脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。 上述几个指标反映了一个矩形脉冲的基本特性。 DateDate 6.2施密特触发器 施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉 冲。输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平UT+； 输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平UT-。两者 的值不同，且UT+ UT-。它们差称为回差电压。 输入和输出为反向关系的施密特触发器为反向施 密特触发器，输入和输出为同向关系的施密特触发器 为同向施密特触发器。 6.2.1 门电路构成的施密特触发器 6.2.2 集成施密特触发器 6.2.3 施密特触发器应用举例 DateDate 6.2.1 门电路构成的施密特触发器 下图(a)是用两个CMOS非门和电阻构成的施密特触发器 ，设UTVDD/2，且R1 tw，为使单稳电路能按要求自动返回，则应通过微 分电路RPCP再输入到与非门1，如下图6.3.2所示。门3改 善了输出波形，起反相和整形的作用。 & 1 CP RP G1G2 uO2 uO1 G3 CR uI 图6.3.2 输入带微分环节的单稳态触发器 DateDate 6.3.2集成单稳态触发器 由于单稳态触发器在数字系统中应用十分普 遍，目前已有各种单片集成电路。TTL系列的有 74121、74122、74123等；CMOS系列的有4098 、4528、4538等。这些器件只要外接很少的电阻 和电容，就可构成单稳态触发电路。使用起来非 常方便。 DateDate 74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加输入控 制电路和输出缓冲级而形成的。 1.TTL集成单稳态触发器（74121） 图6.3.3 单稳态触发器74121的的逻辑图 & & & 1 1 1 1 1 B G1G2 G3 G4 G5G6 G7 G8 G9 输入控制电路微分型单稳态触发器输出缓冲级 & Q CextRext VCC DateDate 输出脉冲宽度 可由下式估算(推导略) 通常 值取在2K30K。 值取在10 10uF之间， 得到的 范围可达20ns 200ms。DM74121: 30ns 28s 另外，74121内部2K电阻 可代替 。 门G5 、G6 、G7和外接电阻 电容 组成的电路是一个用或 非门构成的微分型单稳态触发器，它由G4给出的正脉冲触发， 而输出脉冲宽度则由 和 决定。门G1G4组成输入控制电 路，用于实现上升沿与下降沿触发控制。输出缓冲级由G8和G9 组成，用于提高电路的负载能力。 内部电路不需要掌握 DateDate 集成单稳态触发器（74121）功能表 DateDate 两种不同接法 正脉冲触发 负脉冲触发 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 使用内部 电阻 使用外部 电阻 DateDate 2. CMOS集成单稳态触发器4538 4538的符号图如图6.3.7(a)所示 (a)符号图 (b) 管脚图 图6.3.7 集成单稳态触发器4538 18 9 16 4538是CMOS精密单稳态触发器。由于采用了线性 CMOS技术，可得到高精度的输出脉冲宽度。 A B CR DateDate 6.3.3单稳态触发器的应用举例 1 1 脉冲的整形脉冲的整形 图6.3.9 脉冲整形 uI uO VCC B Q A1 A2 uO cxCx/RX u1 DateDate 单稳态触发器单稳态触发器应用应用 用于定时(或延时、脉冲拓宽 ) B DateDate 回答问题： 以下题目本身是否有问题？ (9) TTL集成单稳态电路的暂稳态时间tW 为_。 (10) CMOS精密单稳态触发器的暂稳时间tW为_ DateDate 6.3.2 6.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器 一、非重复触发单稳态触发器 74121 非重复触发 只能在稳态接受输入信号。 1. 图形符号 1 1 & TRA TRB TR+ Rint Cext RI CX RX/CX Rext / Cext 下降沿触发输入 上升沿触发输入 非重复触发 外接定时 电阻、电容 VCC 内接接定时电阻引出端 DateDate 二、可重复触发单稳态触发器 74122 可重复触发 在暂稳态期间, 能够接受新的触发信号。 1. 图形符号 1 TRA TRB TR+A Rint Cext RI CX RX/CX Rext / Cext & R TR+B RD直接复位 可重复触发 DateDate 6. 4 多谐振荡器 多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电 源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来 回翻转，产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含 有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器， 又称方波发生器。 6.4.1 门电路构成的多谐振荡器 6.4.2 石英晶体多谐振荡器 DateDate 6.4.1集成门电路构成的多谐振荡器 图6.4.1表示用三个集成非门构成的方波发生器。这些门 组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时 延tpd来产生方波振荡的。 1 图6.4.1环型振荡器 1 1 uOuI 图6.4.2 环行单稳态的波形 uI uO uF tpd 2tpd DateDate 电路组成及工作原理 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （1） 设电路的初态为vO1=1, vO2=0，这种状态下不可能持 久维持； 10 0 1 （2）通过vO1RCvO2向C充电，使vI1不断上升； （3）当vI1VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即 vO1=0， vO2=1。 DateDate 工作原理 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 （4） vO1=0， vO2=1这个状态也不能持久； 1001 （5）通过vO2CRvO1对电容C反向充电，vI1逐步减少； （6）当vI1VT时，G1输出高电平， G2输出低电平，即又回 到vO1=1，vO2=0的状态。 （7）周而复始产生方波。 DateDate 工作波形 1 1 G2G1 R C vO1vO2 vI1 由门电路构成多谐振荡器由门电路构成多谐振荡器 T1T2 t vO1 0 t vO2 0 vI1 t 0 T1、T2的计算公式请同学自己推导。 UT DateDate 6.4.2 石英晶体多谐振荡器 1.石英晶体的基本特性 石英晶体的符号如图6.4.4所示。频 率稳定性能达到10-510-8，高质量石英 晶体振荡器，频率稳定性可达10-11。 QR 图6.4.4石英晶体的电路符号 2. CMOS石英晶体多谐振荡器 图6.4.5所示为方波发生器的简化电路 ，其中虚线以上部分制作在集成电路内， 而石英谐振器QR及C1、C2为外接分立元 件。在有些集成电路中，C2也做在芯片内 。 G1 R QR C1 C2 1 uO 图6.4.5石英晶体多谐振荡器 DateDate 6.5 555定时器及其应用 555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、 仪表和自动化控制装置中应用很广。它可组成定时、 延时和脉冲调制等各种电路。本节先简单介绍该定时 器内部电路原理和参数，然后着重介绍由它组成的施 密特电路、单稳态电路和多谐振荡电路。 6.5.1 555定时器 6.5.2 555构成的施密特触发器 6.5.3 555构成的单稳态触发器 6.5.4 555构成的多谐振荡器 DateDate 6.5.1 555定时器 图6.5.1 NE555集成定时器 1 + OUT 5 6 2 7 VCC TH C-U DIS 3 1 + GND OUT C-U TH DIS VCC DateDate 表6.5.1 555功能表 不变 TH OUT DIS LL导通 HL导通 H不变 HH截止 1 + OUT 5 6 2 7 VCC TH C-U DIS 3 1 + 当2个触发信号高于其域值电压，基 本RS触发器清0，输出为0； 当触发端处于功能表第三行，RS触 发端均无效，输出不变； 当同相端触发信号低于其域值电压， 基本RS触发器置1，输出为1。 DateDate 6.5.2 用555构成的施密特触发器 VDD RD TH OUT TR C-U uO VD D uI 图6.5.2 555构成的施密特电路 t t uI uO VD D 图6.5.3 三角波变换矩形波电路 uO uI UTL UTH 图6.5.4 回差特性 UT+=UT=2VDD/3 UT =UTL=VDD/3 UT=VDD/3 DateDate 6.5.3 用555构成的单稳态触发器 图6.5.5 555构成的单稳态触发器及工作波形 (a) 电路图 VDD RD TH TR DIS C-U OUT VDD GND uO uI C R (b) 工作波形 VDD/3 2VDD/3 tw 充电放电 uI uC uO t 图6.5.5 555构成的单稳态触发器及工作波形 t t tw = 1.1RC DateDate 应用： 丢失脉冲检测器 ui为连续脉冲输入端，信号周期比该单稳电路的脉宽窄 DateDate 6.5.4 用555构成的多谐振荡器 图6.5.6 555定时器构成的多谐振荡器及工作波形 （a）电路图 VDD RD DIS OUT TR 555 TH C-U GND R1 R2 C uC uO VDD （b）波形图 t t t1t2 t3t4 T1T2 uC uO 图6.5.6 555定时器构成的多谐振荡器及工作波形 DateDate 充电时间T1为： T1 = (R1+R2)C ln2 = 0.693 (R1+R2)C (6.5.3) 放电时间T2为: T2= R2C ln2=0.693R2C (6.5.4) 频率f为: f =1/(T1+T2) =1.44/(R1+2R2)C (6.5.5) 占空比为: q = T1/T=T1/(T1+T2) = (R1+R2)/(R1+2R2) 50% (6.5.6) 如果R1R2，则占空比接近于1，此时，uC近似地为锯齿波 。 DateDate 占空比可调的多谐振荡器 占空比可调的多谐振荡器如 图6.5.7所示。图中， T1=0.693RAC， T2=0.693RBC， 因此输出脉冲占空比 q = T1/(T1+T2) = RA/(RA+RB ) 0.01F VCCRD DIS TH TR uO OUT C-U GND RA RB C D2 D1 555 VCC 图6.5.7 占空比可调的多谐振荡器 DateDate 思考题 用用555555构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路， a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经 之路，当盗